大气压放电等离子体射流研究进展

摘要：大气压放电等离子体射流（APPJ）具有极强的应用前景，在近年来引起了国际上的重大关注，成为气体放电领域的重要研究课题。文章从APPJ装置使用的放电气体类型（惰性气体与非惰性气体）与自身构造原理出发，综述了国内外大气压放电等离子体射流装置的研究进展，给出了现有基于微空心阴极原理APPJ的放电特性及装置改进过程。

关键词：大气压等离子体；等离子体射流；介质阻挡放电；微空心阴极放电；射流装置结构

中图分类号：O461 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）34-0009-05

自美国弗吉尼亚老道明大学的Laroussi M博士在1996首次报道大气压放电射流型等离子体（Atmospheric Plasma Jet，APPJ）用于致病菌的杀灭以来，针对APPJ装置的结构设计、放电特性及应用研究，受到了材料、医学、环境、化工等领域诸多学者的广泛关注。与传统的气体放电等离子体相比较，APPJ的最大优势在于通过强气流将等离子体“吹”出放电腔，直接喷射到大气环境中，使得等离子体与高压电极分离，对操作者的安全性有极大提高。此外，从传统方式下的气体放电产生等离子体来看，其放电间隙仅限于毫米到几厘米量级，导致狭小空间内的带电粒子的活性与寿命受到影响，这就使得处理样品的尺寸受到极大限制，即使样品能够进入到放电间隙，也会对放电的稳定性带来影响，而APPJ的出现恰好克服了这些缺点。APPJ的发展与近几年来迅速崛起的等离子体材料学、等离子体医学密切相关。目前，APPJ不仅在金属、金属氧化物、有机高分子聚合物、热敏感材料的表面亲水性及其化学活性的改性方面已有许多研究成果，同时，这些装置在等离子体医学中已成功用于细菌、真菌、体外凝血、癌细胞治理、牙齿美白等。在国际上，一些学者甚至将其用于慢性感染伤口的愈合、皮肤螨虫的治疗，且以优于传统方法的临床效果为佐证。国内对APPJ的研究相对较晚，且大多使用惰性气体（如氦气）放电，除进行材料表面改性、致病菌杀灭以外，在口腔医学、伤口治疗等领域的涉足相对较少。主要有华中科技大学、中国科学技术大学、中科院物理所、清华大学等高校与研究所。另外，APPJ自身所含有的高速运动自由基与处理对象间的碰撞反应是物理化学、空气动力学及微生物学等学科的高度交叉，目前的许多研究仍处于实验室阶段，与工业应用仍有相当的差距。本文概述了APPJ装置的结构特点及放电特性，阐述了它们的基本原理，结合APPJ在材料表面改性与等离子体医学中的广泛应用，对APPJ进一步发展所面临的挑战及未来应用前景进行了展望。

1 基于MHCD的APPJ

微空心阴极放电（Microhollow Cathode Discharge，MHCD）已经过了100多年的发展历史，其放电时拥有较高的电子浓度，在后来的应用中，人们利用它的高能活性粒子，进行材料表面改性、致病菌杀灭等。其典型构造为三层叠状，即金属电极-绝缘介质-金属电极。通常情况下，电极使用金属钼、钨、铝或者铜箔制作，绝缘介质则为云母、氧化铝陶瓷或聚四氟乙烯等，通过高速钻机或者激光器打一穿孔，孔径典型值为10～500μm。由于阴极孔存在电子钟摆、二次电子发射以及彭宁效应，使得MHCD的电离率较高，外加相对较低的电压就能放电，降低了对外部绝缘的要求。更为重要的是，MHCD在非惰性气体（主要指空气和氮气）射流方面有着天然的优势。

美国老道明大学的Schoenbach课题组基于MHCD原理，报道了世界上第一个空气APPJ装置。图1（a）为该装置结构示意图，中间绝缘介质厚度0.2～0.5mm，两侧电极厚0.1～0.3mm，放电孔径0.2～0.8mm。当外部空气以8L/min的流量通过放电微孔且两电极间外加直流电压1.5～2.5kV时，该装置开始放电，其维持电压很低，只需500V左右。稳定放电时，维持电流约2mA。图2给出了射流时的气体温度曲线图，可以明显看出，随着轴向距离的增加，气体温度先迅速下降，然后缓慢趋近于室温。后来，为了增大孔径内的气体压力，提高喷射气流的速率，出现了图1中（b）和（c）两种装置结构，而图1中的结构（d）也是在图1（a）的基础上改进得到，其两电极间开始出现较小的正对面积，有利于孔内粒子的进一步电离。前述四种结构下实现的等离子体射流面积较小，而图1（e）所示的阵列式多孔放电结构因能实现相对较大面积放电而备受学者青睐，但为了维持空心阴极效应，阵列式结构对孔径尺寸有着严格的要求，其加工工艺要求甚高，且很难实现每孔均同时稳定放电，在实际应用过程中并不能对样品进行严格意义上的均匀处理。

另外，韩国的Hong Y C课题组也在微孔射流上做了大量的工作，他们使用60Hz的交流电压源作为外部激励，并制作了空气等离子体射流装置，图3（a）给出了其装置原理图。当空气流量为5L/min时，该装置射流长度可达23mm，在气体放电长度上代表了使用空气产生非平衡等离子体射流的最高水平。由于该类装置具有较高的电离率，在距喷口10mm处，等离子体温度为60℃，且功率最大可达2W，比之前报道的直流电源激励的射流功率都要高。在后续的报道中，他们研制了可产生65mm的多孔阵列式氮气等离子体射流源，其正常工作电压5.5～9.5kV（峰峰值），气体温度可稳定维持在34℃以下。至于放电波形，电压大致为锯齿状，电流则呈周期性的脉冲放电，且脉冲频率为10～400kHz，这种特殊的振荡式放电与Hensel K等人采用直流电源激励时的电特性有相似之处。另外，由于他们的研究均使用交流电源驱动，虽然已具有良好的应用特性，但装置正常工作时在正负半周期均会产生严重的电压振荡，一般的交流电压源很难满足这种特殊的放电需求。为此，对于该类APPJ装置放电电源输出参数的设计就提出了很高的要求。

图1 基于MHCD的等离子体射流装置示意图

图2 等离子体射流气体温度与轴向距离关系图